物体検出装置および情報取得装置
【課題】コンパクトな構成にて、回折光学素子の劣化を検出可能な情報取得装置およびこれを搭載する物体検出装置を提供する。
【解決手段】情報取得装置１は、波長８３０ｎｍ程度のレーザ光を出射するレーザ光源１１１と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１３と、１／４波長板１１４と、ＤＯＥ１１６と、ＰＤ１１７を備えている。ＤＯＥ１１６は、レーザ光を所定のドットパターンにて目標領域に照射する。ＰＤ１１７は、ＤＯＥ１１６によって回折および反射されたレーザ光の一部を受光する。
【解決手段】情報取得装置１は、波長８３０ｎｍ程度のレーザ光を出射するレーザ光源１１１と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１３と、１／４波長板１１４と、ＤＯＥ１１６と、ＰＤ１１７を備えている。ＤＯＥ１１６は、レーザ光を所定のドットパターンにて目標領域に照射する。ＰＤ１１７は、ＤＯＥ１１６によって回折および反射されたレーザ光の一部を受光する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、目標領域に光を投射したときの反射光の状態に基づいて目標領域内の物体を検出する物体検出装置およびこれに用いて好適な情報取得装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光を用いた物体検出装置が種々の分野で開発されている。いわゆる距離画像センサを用いた物体検出装置では、２次元平面上の平面的な画像のみならず、検出対象物体の奥行き方向の形状や動きを検出することができる。かかる物体検出装置では、レーザ光源やＬＥＤ（Light Emitting Device）から、予め決められた波長帯域の光が目標領域に投
射され、その反射光がＣＭＯＳイメージセンサ等の受光素子により受光される。距離画像センサとして、種々のタイプのものが知られている。
【０００３】
所定のドットパターンを持つレーザ光を目標領域に照射するタイプの距離画像センサでは、各ドット位置におけるレーザ光の目標領域からの反射光が受光素子によって受光される。そして、各ドット位置のレーザ光の受光素子上の受光位置に基づいて、三角測量法を用いて、検出対象物体の各部（検出対象物体上の各ドット位置）までの距離が検出される（たとえば、非特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】第１９回日本ロボット学会学術講演会（２００１年９月１８−２０日）予稿集、Ｐ１２７９−１２８０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記物体検出装置では、ドットパターンを持つレーザ光を生成するために、回折光学素子が用いられる。回折光学素子には、所定の回折パターンがホログラム等により形成され、この回折パターンによってレーザ光が回折される。かかる回折作用によって、所定のドットパターンを持つレーザ光が、目標領域に照射される。
【０００６】
レーザ光がドットパターン化されると、レーザ光は、目標領域において、比較的広い範囲に分散される。しかしながら、経年変化等によって、回折光学素子の回折パターンが劣化すると、それに伴い、レーザ光に対する回折作用が変化し、分散されずに回折光学素子を透過するレーザ光が、狭い範囲に集中することも考えられる。このような場合、レーザ光の出射を中止するのが望ましい。
【０００７】
回折光学素子の劣化は、たとえば、回折された光の状態をモニタすることにより検出可能である。この場合、回折光学素子よりもレーザ光の進行方向下流側にモニタ用の光学系が配置され得る。しかし、この構成では、レーザ光源、コリメータレンズ、回折光学素子およびモニタ用の光学系が直線的に並ぶため、これら部品の並び方向に装置が大型化する。
【０００８】
本発明は、このような問題を解消するためになされたものであり、コンパクトな構成にて、回折光学素子の劣化を検出可能な情報取得装置およびこれを搭載する物体検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様は、光を用いて目標領域の情報を取得する情報取得装置に関する。本態様に係る情報取得装置は、レーザ光源と、前記レーザ光源の光軸から離れる方向に配置された回折光学素子と、前記光軸を挟んで前記回折光学素子に対向するように配置された光検出器と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記回折光学素子に導くとともに、前記回折光学素子によって反射された前記レーザ光を前記光検出器に導く光路分岐部とを備える。前記回折光学素子は、前記レーザ光を所定のパターンにて前記目標領域に照射する。また、前記光検出器は、前記回折光学素子によって回折および反射された前記レーザ光の一部を受光する。
【００１０】
本発明の第２の態様は、物体検出装置に関する。この態様に係る物体検出装置は、上記第１の態様に係る情報取得装置を有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、コンパクトな構成にて、回折光学素子の劣化を検出可能な情報取得装置およびこれを搭載する物体検出装置を提供することができる。
【００１２】
本発明の特徴は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下の実施の形態は、あくまでも、本発明の一つの実施形態であって、本発明ないし各構成要件の用語の意義は、以下の実施の形態に記載されたものに制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態に係る物体検出装置の構成を示す図である。
【図２】実施の形態に係る情報取得装置と情報処理装置の構成を示す図である。
【図３】実施の形態に係る目標領域に対するレーザ光の照射状態とイメージセンサ上のレーザ光の受光状態を示す図である。
【図４】実施の形態に係る投射光学系と受光光学系の構成を示す図である。
【図５】実施の形態に係る回折光学素子の作用と光検出器の配置を示す図である。
【図６】実施の形態に係るレーザ光源の制御を示すフローチャートである。
【図７】実施の形態に係る効果を検証するための投射光学系を示す図である。
【図８】実施の形態に係る効果を検証するための測定結果を示す図である。
【図９】変更例に係る光検出器の配置を示す図である。
【図１０】他の変更例に係る発光ユニットと受光ユニットの光学系を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態につき図面を参照して説明する。本実施の形態には、所定のドットパターンを持つレーザ光を目標領域に照射するタイプの情報取得装置が例示されている。
【００１５】
まず、図１に本実施の形態に係る物体検出装置の概略構成を示す。図示の如く、物体検出装置は、情報取得装置１と、情報処理装置２とを備えている。テレビ３は、情報処理装置２からの信号によって制御される。
【００１６】
情報取得装置１は、目標領域全体に赤外光を投射し、その反射光をＣＭＯＳイメージセンサにて受光することにより、目標領域にある物体各部の距離（以下、「３次元距離情報」という）を取得する。取得された３次元距離情報は、ケーブル４を介して情報処理装置２に送られる。
【００１７】
情報処理装置２は、たとえば、テレビ制御用のコントローラやゲーム機、パーソナルコンピュータ等である。情報処理装置２は、情報取得装置１から受信した３次元距離情報に基づき、目標領域における物体を検出し、検出結果に基づきテレビ３を制御する。
【００１８】
たとえば、情報処理装置２は、受信した３次元距離情報に基づき人を検出するとともに、３次元距離情報の変化から、その人の動きを検出する。たとえば、情報処理装置２がテレビ制御用のコントローラである場合、情報処理装置２には、受信した３次元距離情報からその人のジャスチャーを検出するとともに、ジェスチャに応じてテレビ３に制御信号を出力するアプリケーションプログラムがインストールされている。この場合、ユーザは、テレビ３を見ながら所定のジェスチャをすることにより、チャンネル切り替えやボリュームのＵｐ／Ｄｏｗｎ等、所定の機能をテレビ３に実行させることができる。
【００１９】
また、たとえば、情報処理装置２がゲーム機である場合、情報処理装置２には、受信した３次元距離情報からその人の動きを検出するとともに、検出した動きに応じてテレビ画面上のキャラクタを動作させ、ゲームの対戦状況を変化させるアプリケーションプログラムがインストールされている。この場合、ユーザは、テレビ３を見ながら所定の動きをすることにより、自身がテレビ画面上のキャラクタとしてゲームの対戦を行う臨場感を味わうことができる。
【００２０】
図２は、情報取得装置１と情報処理装置２の構成を示す図である。
【００２１】
情報取得装置１は、光学部の構成として、投射光学系１１と受光光学系１２とを備えている。この他、情報取得装置１は、回路部の構成として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２１と、レーザ駆動回路２２と、撮像信号処理回路２３と、入出力回路２４と、メ
モリ２５を備えている。
【００２２】
投射光学系１１は、ドットマトリックスパターンのレーザ光を、目標領域に照射する。受光光学系１２は、目標領域から反射されたレーザ光を受光する。投射光学系１１と受光光学系１２の構成は、追って、図４を参照して説明する。
【００２３】
ＣＰＵ２１は、メモリ２５に格納された制御プログラムに従って各部を制御する。かかる制御プログラムによって、ＣＰＵ２１には、投射光学系１１内のレーザ光源１１１（後述）を制御するためのレーザ制御部２１ａと、３次元距離情報を生成するための３次元距離演算部２１ｂの機能が付与される。
【００２４】
レーザ駆動回路２２は、ＣＰＵ２１からの制御信号に応じてレーザ光源１１１（後述）を駆動する。撮像信号処理回路２３は、受光光学系１２内のＣＭＯＳイメージセンサ１２４（後述）を制御して、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４で生成された各画素の信号（電荷）をライン毎に順次取り込む。そして、取り込んだ信号を順次ＣＰＵ２１に出力する。
【００２５】
ＣＰＵ２１は、撮像信号処理回路２３から供給される信号（撮像信号）をもとに、情報取得装置１から検出対象物の各部までの距離を、３次元距離演算部２１ｂによる処理によって算出する。入出力回路２４は、情報処理装置２とのデータ通信を制御する。
【００２６】
情報処理装置２は、ＣＰＵ３１と、入出力回路３２と、メモリ３３を備えている。なお、情報処理装置２には、同図に示す構成の他、テレビ３との通信を行うための構成や、ＣＤ−ＲＯＭ等の外部メモリに格納された情報を読み取ってメモリ３３にインストールするためのドライブ装置等が配されるが、便宜上、これら周辺回路の構成は図示省略されている。
【００２７】
ＣＰＵ３１は、メモリ３３に格納された制御プログラム（アプリケーションプログラム）に従って各部を制御する。かかる制御プログラムによって、ＣＰＵ３１には、画像中の物体を検出するための物体検出部３１ａの機能が付与される。かかる制御プログラムは、
たとえば、図示しないドライブ装置によってＣＤ−ＲＯＭから読み取られ、メモリ３３にインストールされる。
【００２８】
たとえば、制御プログラムがゲームプログラムである場合、物体検出部３１ａは、情報取得装置１から供給される３次元距離情報から画像中の人およびその動きを検出する。そして、検出された動きに応じてテレビ画面上のキャラクタを動作させるための処理が制御プログラムにより実行される。
【００２９】
また、制御プログラムがテレビ３の機能を制御するためのプログラムである場合、物体検出部３１ａは、情報取得装置１から供給される３次元距離情報から画像中の人およびその動き（ジェスチャ）を検出する。そして、検出された動き（ジェスチャ）に応じて、テレビ１の機能（チャンネル切り替えやボリューム調整、等）を制御するための処理が制御プログラムにより実行される。
【００３０】
入出力回路３２は、情報取得装置１とのデータ通信を制御する。
【００３１】
図３（ａ）は、目標領域に対するレーザ光の照射状態を模式的に示す図、図３（ｂ）は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４におけるレーザ光の受光状態を模式的に示す図である。なお、同図（ｂ）には、便宜上、目標領域に平坦な面（スクリーン）が存在するときの受光状態が示されている。
【００３２】
同図（ａ）に示すように、投射光学系１１からは、ドットマトリックスパターンを持ったレーザ光（以下、このパターンを持つレーザ光の全体を「ＤＭＰ光」という）が、目標領域に向けて照射される。同図（ａ）には、ＤＭＰ光の光束断面が破線の枠によって示されている。ＤＭＰ光内の各ドットは、投射光学系１１内の回折光学素子による回折作用によってレーザ光の強度が点在的に高められた領域を模式的に示している。ＤＭＰ光の光束中には、レーザ光の強度が高められた領域が、所定のドットマトリックスパターンに従って点在している。
【００３３】
目標領域に平坦な面（スクリーン）が存在すると、これにより反射されたＤＭＰ光の各ドット位置の光は、同図（ｂ）のように、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上で分布する。たとえば、目標領域上におけるＰ０のドット位置の光は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上では、Ｐｐのドット位置の光に対応する。
【００３４】
上記３次元距離演算部２１ｂでは、各ドットに対応する光がＣＭＯＳイメージセンサ１２４上のどの位置に入射したかが検出され、その受光位置から、三角測量法に基づいて、検出対象物体の各部（ドットマトリックスパターン上の各ドット位置）までの距離が検出される。かかる検出手法の詳細は、たとえば、上記非特許文献１（第１９回日本ロボット学会学術講演会（２００１年９月１８−２０日）予稿集、Ｐ１２７９−１２８０）に示されている。
【００３５】
図４（ａ）は、投射光学系１１と受光光学系１２の構成を示す図である。
【００３６】
投射光学系１１は、レーザ光源１１１と、コリメータレンズ１１２と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１３と、１／４波長板１１４と、アパーチャ１１５と、回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical Element）１１６と、光検出器（ＰＤ：PhotoDetector）１１７を備えている。また、受光光学系１２は、アパーチャ１２１と、撮像レンズ１２２と、フィルタ１２３と、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４とを備えている。
【００３７】
レーザ光源１１１は、波長８３０ｎｍ程度の狭波長帯域のレーザ光を出力する。コリメ
ータレンズ１１２は、レーザ光源１１１から出射されたレーザ光を平行光に変換する。ＰＢＳ１１３は、コリメータレンズ１１２側から入射されたレーザ光を反射する。レーザ光源１１１は、ＰＢＳ１１３の偏光面に対してレーザ光がＳ偏光となるように位置調整されている。
【００３８】
１／４波長板１１４は、ＰＢＳ１１３側から入射されたレーザ光を円偏光に変換するとともに、アパーチャ１１５側から入射されたレーザ光（ＤＯＥ１１６からの反射回折光）を、ＰＢＳ１１３側から入射されるときのレーザ光の偏光方向に直交する偏光方向に変換する。これにより、アパーチャ１１５側から入射されたレーザ光（ＤＯＥ１１６からの反射回折光）は、ＰＢＳ１１３に対してＰ偏光となり、ＰＢＳ１１３を透過する。
【００３９】
アパーチャ１１５は、レーザ光の光束断面を所定の形状（本実施の形態では円形）に調整する。ＤＯＥ１１６は、入射面に回折パターンを有する。この回折パターンによる回折作用により、アパーチャ１１５からＤＯＥ１１６に入射したレーザ光は、ドットマトリックスパターンのレーザ光に変換されて、目標領域に照射される。
【００４０】
なお、図４（ｂ）に示すように、ＤＯＥ１１６による回折光には、透過光と反射光がある。このうち、透過光（透過回折光）が、上記のように、ＤＭＰ光として目標領域に投射される。ＤＯＥ１１６によって回折および反射されたレーザ光（反射回折光）は、アパーチャ１１５を通って１／４波長板１１４に入射する。その後、反射回折光は、１／４波長板１１４により直線偏光に変換され、上記のようにＰＢＳ１１３を透過する。
【００４１】
ＰＤ１１７は、ＰＢＳ１１３を透過した反射回折光を受光する。ＰＤ１１７の配置については、追って、図５を参照して説明する。
【００４２】
目標領域から反射されたレーザ光は、アパーチャ１２１を介して撮像レンズ１２２に入射する。アパーチャ１２１は、撮像レンズ１２２のＦナンバーに合うように、外部からの光に絞りを掛ける。撮像レンズ１２２は、アパーチャ１２１を介して入射された光をＣＭＯＳイメージセンサ１２４上に集光する。
【００４３】
フィルタ１２３は、レーザ光源１１１の出射波長（８３０ｎｍ程度）を含む波長帯域の光を透過し、その他の波長帯域をカットするバンドパスフィルタである。ＣＭＯＳイメージセンサ１２４は、撮像レンズ１２２にて集光された光を受光して、画素毎に、受光光量に応じた信号（電荷）を撮像信号処理回路２３に出力する。ここで、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４は、各画素における受光から高レスポンスでその画素の信号（電荷）を撮像信号処理回路２３に出力できるよう、信号の出力速度が高速化されている。
【００４４】
投射光学系１１と受光光学系１２は、ベース３００に設置されている。ベース３００には、さらに、回路基板２００が設置され、この回路基板２００から、レーザ光源１１１、ＰＤ１１７、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４に配線（フレキシブル基板）２０１〜２０３が接続されている。回路基板２００には、図２に示すＣＰＵ２１やレーザ駆動回路２２等の情報取得装置１の回路部が実装されている。
【００４５】
図５は、ＰＤ１１７の配置方法を説明する図である。同図（ａ）は、ＤＯＥ１１６に対するレーザ光の入射状態を模式的に示し、同図（ｂ）は、ＰＤ１１７に対するＤＯＥ１１６からの反射回折光の照射状態を模式的に示す。
【００４６】
上記のように、レーザ光は、平行光の状態でＤＯＥ１１６に入射する。このため、ＤＯＥ１１６からの反射回折光のうち、ＤＯＥ１１６に回折されずに反射された０次の反射回折光も、略平行光の状態で、アパーチャ１１５へと戻る。よって、同図（ａ）のようにレ
ーザ光がＤＯＥ１１６に入射すると、０次の反射回折光は、同図（ａ）のビームサイズと略同じサイズで、ＰＤ１１７に向かって照射される。この他、ＤＯＥ１１６によって回折された１次以上の反射回折光も、ＰＤ１１７に向かって照射される。１次以上の反射回折光は、回折により広がっているため、同図（ｂ）のように、０次の反射回折光の領域を含む広い領域に照射される。なお、０次の反射回折光の領域にも１次以上の反射回折光が照射される。
【００４７】
本実施の形態では、同図（ｂ）に示すように、０次の反射回折光の照射領域に略含まれるように、ＰＤ１１７の受光面１１７ａが配置される。したがって、ＰＤ１１７は、０次の反射回折光と、１次以上の反射回折光を受光する。１次以上の反射回折光は、広い範囲に分散しているため、ＰＤ１１７によって受光される光量は比較的小さい。このため、ＰＤ１１７によって受光される光量は、１次以上の反射回折光よりも０次の反射回折光の方が、数段多い。よって、ＰＤ１１７からの出力信号は、０次の反射回折光による影響を大きく受ける。
【００４８】
ＤＯＥ１１６が正常である場合、受光面１１７ａには、所定の光量の０次の反射回折光が照射される。これに対し、ＤＯＥ１１６が経年変化等によって劣化すると、回折作用の変化により、受光面１１７ａに照射される０次の反射回折光の光量が増減し、これに伴い、ＰＤ１１７からの出力信号が増減する。よって、ＰＤ１１７からの出力をモニタすることで、ＤＯＥ１１６の劣化を検知することができる。
【００４９】
図６（ａ）は、ＰＤ１１７からの出力信号に基づくレーザ制御部２１ａの制御を示すフローチャートである。本実施の形態では、図６（ｂ）に示すように、ＰＤ１１７からの出力信号（ＰＤ信号）を監視するために閾値Ｓ１、Ｓ２が設定される。ＰＤ信号がこの閾値Ｓ１、Ｓ２の範囲を外れたことによって、ＤＯＥ１１６が劣化した（異常である）と判定される。
【００５０】
同図（ａ）を参照して、レーザ光源１１１が点灯されると（Ｓ１０１）、ＰＤ信号がサンプリングされ（Ｓ１０２）、サンプリングされたＰＤ信号の値が、閾値Ｓ１と閾値Ｓ２の間の範囲にあるかが判定される（Ｓ１０３）。ＰＤ信号の値が閾値Ｓ１と閾値Ｓ２の間の範囲にあれば、レーザ光源１１１の点灯が維持され、ステップＳ１０２、Ｓ１０３が繰り返される。
【００５１】
しかる後、ＰＤ信号が閾値Ｓ１と閾値Ｓ２の間の範囲から外れると（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、ＤＯＥ１１６が劣化した（異常である）と判定され、レーザ光源１１１が停止される。これにより、目標領域に対するＤＭＰ光の照射が中止される。たとえば、図６（ｂ）の例では、時間ＴＥにおいて、ＰＤ信号が閾値Ｓ１と閾値Ｓ２の間の範囲から外れ、目標領域に対するＤＭＰ光の照射が中止される。これにより、たとえば、レーザ光のパワーが目標領域の一部に集中するのを防止でき、安全性を確保することができる。
【００５２】
以上、本実施の形態によれば、図４（ａ）に示すように、レーザ光源１１１から出射されたレーザ光の光路が折り曲げられるよう投射光学系１１が構成されているため、高さ方向（ベース３００の設置面に垂直な方向）における投射光学系１１のサイズを小さくでき、投射光学系１１をコンパクトにすることができる。
【００５３】
たとえば、図４（ｃ）の比較例のように、ＤＯＥ１１６の劣化を検出するためのモニタ光学系１１８を、ＤＯＥ１１６の出射面側に配置すると、レーザ光源１１１、コリメータレンズ１１２、アパーチャ１１５およびＤＯＥ１１６と、モニタ光学系１１８が、高さ方向に一列に並ぶため、投射光学系１１の高さＨがかなり高くなる。この場合、モニタ光学系１１８は、ＤＯＥ１１６を透過した透過回折光の一部を受光するよう構成される。
【００５４】
これに対し、本実施の形態では、図４（ａ）に示すように、レーザ光源１１１から出射されたレーザ光の光路が折り曲げられるため、高さ方向（ベース３００の設置面に垂直な方向）における投射光学系１１のサイズを小さくでき、投射光学系１１をコンパクトにすることができる。
【００５５】
また、本実施の形態によれば、図６を参照して説明したとおり、ＰＤ信号に基づきＤＯＥ１１６の劣化（異常）が検出されると、レーザ光源１１１が停止されるため、不安定な状態のレーザ光が目標領域に照射されるのを防止でき、情報取得装置の使用時の安全性を高めることができる。
【００５６】
なお、本願発明者らは、ＰＤ信号に基づきＤＯＥ１１６の劣化（異常）を検出可能であることを、実際に測定を行うことにより検証した。以下、この検証について説明する。
【００５７】
図７（ａ）は、検証に用いた投射光学系の構成を示す図である。同図の投射光学系は、図４に示す投射光学系１１に比べて、アパーチャの位置が異なっている。すなわち、図４の投射光学系１１では、アパーチャ１１５が１／４波長板１１４とＤＯＥ１１６との間に配置されたが、図７（ａ）の投射光学系では、アパーチャ１１５ａが、レーザ光源１１１とコリメータレンズ１１２との間に配置されている。また、ＰＤ１１７は、パワーメータＰＭに配置されている。パワーメータＰＭは、ＰＤ１１７が受光したレーザ光のパワーを測定する。図７（ａ）の投射光学系のその他の構成は、図４と投射光学系１１と同じである。
【００５８】
アパーチャ１１５ａは、レーザ光源１１１から出射された楕円形のレーザ光を略円形のレーザ光に整形する。測定において、コリメータレンズ１１２とＰＢＳ１１３との間のギャップは１００ｍｍ、ＰＢＳ１１３と１／４波長板１１４との間のギャップは１ｍｍ、１／４波長板１１４とＤＯＥ１１６との間のギャップは１ｍｍ未満、ＰＢＳ１１３とパワーメータＰＭとの間のギャップは１１ｍｍに設定された。ＰＢＳ１１３には、エドモンド・オプティックス社製４７７８４−Ｋが用いられ、１／４波長板１１４には、エドモンド・オプティックス社製４６４１２−Ｋが用いられ、パワーメータには、アドバンテスト社製Ｑ８２３０が用いられた。
【００５９】
レーザ光源１１１は、出射波長が８３０ｎｍであり、同図Ｙ軸方向にレーザ光を出射するように配置されている。レーザ光源１１１の光軸とコリメータレンズ１１２の光軸は一致し、コリメータレンズ１１２はレーザ光を略平行光に変換する位置に配置されている。ＰＢＳ１１３は、コリメータレンズ１１２からのレーザ光がＳ偏光で入射するよう配置され、入射したレーザ光をＺ軸方向に反射する。１／４波長板１１４とＤＯＥ１１６は、それぞれ、入射面がＺ軸に垂直となるように配置され、ＰＤ１１７は、受光面がＺ軸に垂直となるように配置されている。
【００６０】
ＤＯＥ１１６は、ＤＯＥ１１６の前方（Ｚ軸正方向）２ｍの位置に設定された仮想平面において、縦１．９ｍ、横２．３ｍの長方形の領域に２５０００個のドットを均等に分散させるための回折パターンが、出射面に形成されている。この回折パターンは、マルチステップ型の回折構造により構成されている。
【００６１】
測定時には、図７（ａ）の投射光学系において、レーザ光源１１１から出射パワー２００ｍＷでレーザ光を出射させ、パワーメータＰＭで受光強度を測定した。この測定では、まず、ＰＤ１１７の中心が、ＤＯＥ１１６で回折および反射されたレーザ光（反射回折光）の中心に一致する位置（オフセット＝０）にＰＤ１１７を配置し、この状態で、上記パワーのレーザ光を出射させてＰＤ１１７の受光パワーを測定した。さらに、レーザ光源１
１１から上記パワーのレーザ光を出射させたまま、上記オフセット０の位置から同図左方向（Ｙ軸負方向）に１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、７ｍｍ、８ｍｍ、９ｍｍ、１０ｍｍに変位した位置にＰＤ１１７を移動させ、これら各位置において、それぞれ、ＰＤ１１７の受光パワーを測定した。
【００６２】
次に、ＤＯＥ１１６の出射面のレーザ光出射位置に水を滴下し、当該出射面に、レーザ光の輪郭よりもやや大きめの輪郭の水滴を付着させた。この状態で、上記パワーのレーザ光を出射させ、上記と同様、オフセット＝０ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、７ｍｍ、８ｍｍ、９ｍｍ、１０ｍｍの各位置において、それぞれ、ＰＤ１１７の受光パワーを測定した。
【００６３】
図８は、測定結果を示す図である。図中、“実験前”のグラフは水滴を付着させる前に上記測定を行ったときの測定結果を示し、“水滴付着時”のグラフは水滴を付着させた状態で上記測定をおこなったときの測定結果を示す。
【００６４】
まず、“実験前”のグラフを参照すると、ＰＤ１１７の受光パワーは、ＰＤ１１７のオフセットが増えるに従って緩やかに減少し、オフセットが５ｍｍを超えるあたりから、ＰＤ１１７の受光パワーが急激に低下することが分かる。ここで、オフセットが５ｍｍの位置は、ＰＤ１１７の受光面のＹ軸負方向の端部が反射回折光の領域の境界に到達する位置であると推測され得る。したがって、反射回折光は、ＰＤ１１７の受光面を含む平面において、反射回折光の中心から左右に所定長さの広がりを持つことが分かる。かかる反射回折光の広がり具合は、ＤＯＥ１１６を透過して目標領域に向かうレーザ光の広がり具合を反映するものであると推察され得る。
【００６５】
次に、“水滴付着時”のグラフを参照すると、ＰＤ１１７の受光パワーは、ＰＤ１１７のオフセットに拘わらず、略１ｍＷ程度で推移している。また、ＰＤ１１７の受光パワーは、オフセットが１０ｍｍを超えてさらにオフセットが進んでも、０に接近しにくいことが分かる。このことから、反射回折光は、ＰＤ１１７の受光面を含む平面において、“実験前”の場合に比べてかなり広い範囲に広がっているものと推測され得る。この場合、ＤＯＥ１１６を透過して目標領域に向かうレーザ光もまた、“実験前”の場合に比べてかなり広い範囲に広がるものと推察され得る。
【００６６】
図８に示された２つのグラフを比較すると、ＤＯＥ１１６の出射面に水滴が付着し、ＤＯＥ１１６の出射面に形成された回折パターンに異常が生じると、ＰＤ１１７の受光パワーが大きく変化することが分かる。よって、ＤＯＥ１１６が正常な状態において、ＰＤ１１７の中心が、反射回折光の中心付近（反射回折光の照射領域の範囲内）に位置づけられるように、ＰＤ１１７を配置することにより、ＰＤ１１７の検出信号（ＰＤ信号）をもとにＤＯＥ１１６の異常を検出することができ、また、この異常による投射レーザ光の異常を検出することができる。
【００６７】
したがって、図６（ａ）のように、ＰＤ信号に基づきＤＯＥ１１６の劣化（異常）が検出されると、レーザ光源１１１が停止されるように制御を行うことにより、不安定な状態のレーザ光が目標領域に照射されるのを防止でき、情報取得装置の使用時の安全性を高めることができる。
【００６８】
なお、上記測定では、“水滴付着時”のＰＤ１１７の検出信号（ＰＤ信号）の値が“実験前”のＰＤ信号の値よりも数段小さくなったが、ＤＯＥ１１６に生じる劣化（異常）の種類によっては、異常時のＰＤ信号の値が正常時のＰＤ信号の値よりも大きくなることが想定され得る。この場合、ＤＯＥ１１６から目標領域に向かうレーザ光は、狭い範囲に集中する。このような異常は、図６（ｂ）のように、正常時のＰＤ信号よりも低い閾値Ｓ１
の他、正常時の検出信号よりも高い閾値Ｓ２を設定し、ＰＤ信号が閾値Ｓ１、Ｓ２の範囲内にないときに異常と判定することにより検出され得る。したがって、図６（ａ）の制御によれば、多様な形態で起こり得るＤＯＥ１１６の異常を的確に検出することができる。
【００６９】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら制限されるものではなく、また、本発明の実施の形態も上記の他に種々の変更が可能である。
【００７０】
たとえば、上記実施の形態では、図５（ｂ）に示すように、ＰＤ１１７の受光面１１７ａを０次の反射回折光の照射領域に配置したが、図９（ｂ）のように、０次の反射回折光の照射領域を除く反射回折光の照射領域に受光面１１７ａを配置しても良い。この構成においても、ＤＯＥ１１６が正常である場合には、受光面１１７ａに、１次以上の反射回折光が所定の光量だけ照射される。また、ＤＯＥ１１６が経年変化等によって劣化すると、回折作用の変化により、受光面１１７ａに照射される１次以上の反射回折光の光量が増減し、これに伴い、ＰＤ１１７からの出力信号が増減する。よって、図５（ｂ）の場合と同様、ＰＤ１１７からの出力をモニタすることで、ＤＯＥ１１６の劣化を検知することができる。この他、０次の反射回折光の照射領域に一部が掛かるように、受光面１１７ａを配置しても良い。
【００７１】
また、上記実施の形態では、図４（ａ）に示すように、キュービック状のＰＢＳ１１３を用いたが、図１０（ａ）に示すように、板状のＰＢＳ１２１を用いても良い。この場合、偏光面がベース３００の設置面に対して４５度傾くように、ＰＢＳ１２１が配置される。
【００７２】
さらに、ＰＢＳ１１３に代えて、図１０（ｂ）に示すように、ハーフミラー１２２を用いても良い。この場合、入射面がベース３００の設置面に対して４５度傾くように、ハーフミラー１２２が配置される。この構成では、レーザ光源１１１から出射されるレーザ光の半分がハーフミラー１２２を透過するため、上記実施の形態に比べ、目標領域に照射されるレーザ光の光量が低下する。反面、１／４波長板１１４が不要となるため、上記実施の形態に比べ、構成が簡素となる。なお、ハーフミラーに代えて、透過率と反射率が１：１でない他の無偏光のビームスプリッタを用いても良い。
【００７３】
また、上記実施の形態では、受光素子として、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４を用いたが、これに替えて、ＣＣＤイメージセンサを用いることもできる。さらに、受光光学系１２の構成も、適宜変更可能である。
【００７４】
本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００７５】
１ 情報取得装置
２ 情報処理装置
１１ 投射光学系
１１１ レーザ光源
１１３ ＰＢＳ（光路分岐部）
１１４ １／４波長板（光路分岐部）
１１６ ＤＯＥ（回折光学素子）
１１７ ＰＤ（光検出器）
１２２ ハーフミラー（無偏光ビームスプリッタ）
２１ａ レーザ制御部（制御部）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、目標領域に光を投射したときの反射光の状態に基づいて目標領域内の物体を検出する物体検出装置およびこれに用いて好適な情報取得装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光を用いた物体検出装置が種々の分野で開発されている。いわゆる距離画像センサを用いた物体検出装置では、２次元平面上の平面的な画像のみならず、検出対象物体の奥行き方向の形状や動きを検出することができる。かかる物体検出装置では、レーザ光源やＬＥＤ（Light Emitting Device）から、予め決められた波長帯域の光が目標領域に投
射され、その反射光がＣＭＯＳイメージセンサ等の受光素子により受光される。距離画像センサとして、種々のタイプのものが知られている。
【０００３】
所定のドットパターンを持つレーザ光を目標領域に照射するタイプの距離画像センサでは、各ドット位置におけるレーザ光の目標領域からの反射光が受光素子によって受光される。そして、各ドット位置のレーザ光の受光素子上の受光位置に基づいて、三角測量法を用いて、検出対象物体の各部（検出対象物体上の各ドット位置）までの距離が検出される（たとえば、非特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】第１９回日本ロボット学会学術講演会（２００１年９月１８−２０日）予稿集、Ｐ１２７９−１２８０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記物体検出装置では、ドットパターンを持つレーザ光を生成するために、回折光学素子が用いられる。回折光学素子には、所定の回折パターンがホログラム等により形成され、この回折パターンによってレーザ光が回折される。かかる回折作用によって、所定のドットパターンを持つレーザ光が、目標領域に照射される。
【０００６】
レーザ光がドットパターン化されると、レーザ光は、目標領域において、比較的広い範囲に分散される。しかしながら、経年変化等によって、回折光学素子の回折パターンが劣化すると、それに伴い、レーザ光に対する回折作用が変化し、分散されずに回折光学素子を透過するレーザ光が、狭い範囲に集中することも考えられる。このような場合、レーザ光の出射を中止するのが望ましい。
【０００７】
回折光学素子の劣化は、たとえば、回折された光の状態をモニタすることにより検出可能である。この場合、回折光学素子よりもレーザ光の進行方向下流側にモニタ用の光学系が配置され得る。しかし、この構成では、レーザ光源、コリメータレンズ、回折光学素子およびモニタ用の光学系が直線的に並ぶため、これら部品の並び方向に装置が大型化する。
【０００８】
本発明は、このような問題を解消するためになされたものであり、コンパクトな構成にて、回折光学素子の劣化を検出可能な情報取得装置およびこれを搭載する物体検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様は、光を用いて目標領域の情報を取得する情報取得装置に関する。本態様に係る情報取得装置は、レーザ光源と、前記レーザ光源の光軸から離れる方向に配置された回折光学素子と、前記光軸を挟んで前記回折光学素子に対向するように配置された光検出器と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記回折光学素子に導くとともに、前記回折光学素子によって反射された前記レーザ光を前記光検出器に導く光路分岐部とを備える。前記回折光学素子は、前記レーザ光を所定のパターンにて前記目標領域に照射する。また、前記光検出器は、前記回折光学素子によって回折および反射された前記レーザ光の一部を受光する。
【００１０】
本発明の第２の態様は、物体検出装置に関する。この態様に係る物体検出装置は、上記第１の態様に係る情報取得装置を有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、コンパクトな構成にて、回折光学素子の劣化を検出可能な情報取得装置およびこれを搭載する物体検出装置を提供することができる。
【００１２】
本発明の特徴は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下の実施の形態は、あくまでも、本発明の一つの実施形態であって、本発明ないし各構成要件の用語の意義は、以下の実施の形態に記載されたものに制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態に係る物体検出装置の構成を示す図である。
【図２】実施の形態に係る情報取得装置と情報処理装置の構成を示す図である。
【図３】実施の形態に係る目標領域に対するレーザ光の照射状態とイメージセンサ上のレーザ光の受光状態を示す図である。
【図４】実施の形態に係る投射光学系と受光光学系の構成を示す図である。
【図５】実施の形態に係る回折光学素子の作用と光検出器の配置を示す図である。
【図６】実施の形態に係るレーザ光源の制御を示すフローチャートである。
【図７】実施の形態に係る効果を検証するための投射光学系を示す図である。
【図８】実施の形態に係る効果を検証するための測定結果を示す図である。
【図９】変更例に係る光検出器の配置を示す図である。
【図１０】他の変更例に係る発光ユニットと受光ユニットの光学系を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態につき図面を参照して説明する。本実施の形態には、所定のドットパターンを持つレーザ光を目標領域に照射するタイプの情報取得装置が例示されている。
【００１５】
まず、図１に本実施の形態に係る物体検出装置の概略構成を示す。図示の如く、物体検出装置は、情報取得装置１と、情報処理装置２とを備えている。テレビ３は、情報処理装置２からの信号によって制御される。
【００１６】
情報取得装置１は、目標領域全体に赤外光を投射し、その反射光をＣＭＯＳイメージセンサにて受光することにより、目標領域にある物体各部の距離（以下、「３次元距離情報」という）を取得する。取得された３次元距離情報は、ケーブル４を介して情報処理装置２に送られる。
【００１７】
情報処理装置２は、たとえば、テレビ制御用のコントローラやゲーム機、パーソナルコンピュータ等である。情報処理装置２は、情報取得装置１から受信した３次元距離情報に基づき、目標領域における物体を検出し、検出結果に基づきテレビ３を制御する。
【００１８】
たとえば、情報処理装置２は、受信した３次元距離情報に基づき人を検出するとともに、３次元距離情報の変化から、その人の動きを検出する。たとえば、情報処理装置２がテレビ制御用のコントローラである場合、情報処理装置２には、受信した３次元距離情報からその人のジャスチャーを検出するとともに、ジェスチャに応じてテレビ３に制御信号を出力するアプリケーションプログラムがインストールされている。この場合、ユーザは、テレビ３を見ながら所定のジェスチャをすることにより、チャンネル切り替えやボリュームのＵｐ／Ｄｏｗｎ等、所定の機能をテレビ３に実行させることができる。
【００１９】
また、たとえば、情報処理装置２がゲーム機である場合、情報処理装置２には、受信した３次元距離情報からその人の動きを検出するとともに、検出した動きに応じてテレビ画面上のキャラクタを動作させ、ゲームの対戦状況を変化させるアプリケーションプログラムがインストールされている。この場合、ユーザは、テレビ３を見ながら所定の動きをすることにより、自身がテレビ画面上のキャラクタとしてゲームの対戦を行う臨場感を味わうことができる。
【００２０】
図２は、情報取得装置１と情報処理装置２の構成を示す図である。
【００２１】
情報取得装置１は、光学部の構成として、投射光学系１１と受光光学系１２とを備えている。この他、情報取得装置１は、回路部の構成として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２１と、レーザ駆動回路２２と、撮像信号処理回路２３と、入出力回路２４と、メ
モリ２５を備えている。
【００２２】
投射光学系１１は、ドットマトリックスパターンのレーザ光を、目標領域に照射する。受光光学系１２は、目標領域から反射されたレーザ光を受光する。投射光学系１１と受光光学系１２の構成は、追って、図４を参照して説明する。
【００２３】
ＣＰＵ２１は、メモリ２５に格納された制御プログラムに従って各部を制御する。かかる制御プログラムによって、ＣＰＵ２１には、投射光学系１１内のレーザ光源１１１（後述）を制御するためのレーザ制御部２１ａと、３次元距離情報を生成するための３次元距離演算部２１ｂの機能が付与される。
【００２４】
レーザ駆動回路２２は、ＣＰＵ２１からの制御信号に応じてレーザ光源１１１（後述）を駆動する。撮像信号処理回路２３は、受光光学系１２内のＣＭＯＳイメージセンサ１２４（後述）を制御して、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４で生成された各画素の信号（電荷）をライン毎に順次取り込む。そして、取り込んだ信号を順次ＣＰＵ２１に出力する。
【００２５】
ＣＰＵ２１は、撮像信号処理回路２３から供給される信号（撮像信号）をもとに、情報取得装置１から検出対象物の各部までの距離を、３次元距離演算部２１ｂによる処理によって算出する。入出力回路２４は、情報処理装置２とのデータ通信を制御する。
【００２６】
情報処理装置２は、ＣＰＵ３１と、入出力回路３２と、メモリ３３を備えている。なお、情報処理装置２には、同図に示す構成の他、テレビ３との通信を行うための構成や、ＣＤ−ＲＯＭ等の外部メモリに格納された情報を読み取ってメモリ３３にインストールするためのドライブ装置等が配されるが、便宜上、これら周辺回路の構成は図示省略されている。
【００２７】
ＣＰＵ３１は、メモリ３３に格納された制御プログラム（アプリケーションプログラム）に従って各部を制御する。かかる制御プログラムによって、ＣＰＵ３１には、画像中の物体を検出するための物体検出部３１ａの機能が付与される。かかる制御プログラムは、
たとえば、図示しないドライブ装置によってＣＤ−ＲＯＭから読み取られ、メモリ３３にインストールされる。
【００２８】
たとえば、制御プログラムがゲームプログラムである場合、物体検出部３１ａは、情報取得装置１から供給される３次元距離情報から画像中の人およびその動きを検出する。そして、検出された動きに応じてテレビ画面上のキャラクタを動作させるための処理が制御プログラムにより実行される。
【００２９】
また、制御プログラムがテレビ３の機能を制御するためのプログラムである場合、物体検出部３１ａは、情報取得装置１から供給される３次元距離情報から画像中の人およびその動き（ジェスチャ）を検出する。そして、検出された動き（ジェスチャ）に応じて、テレビ１の機能（チャンネル切り替えやボリューム調整、等）を制御するための処理が制御プログラムにより実行される。
【００３０】
入出力回路３２は、情報取得装置１とのデータ通信を制御する。
【００３１】
図３（ａ）は、目標領域に対するレーザ光の照射状態を模式的に示す図、図３（ｂ）は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４におけるレーザ光の受光状態を模式的に示す図である。なお、同図（ｂ）には、便宜上、目標領域に平坦な面（スクリーン）が存在するときの受光状態が示されている。
【００３２】
同図（ａ）に示すように、投射光学系１１からは、ドットマトリックスパターンを持ったレーザ光（以下、このパターンを持つレーザ光の全体を「ＤＭＰ光」という）が、目標領域に向けて照射される。同図（ａ）には、ＤＭＰ光の光束断面が破線の枠によって示されている。ＤＭＰ光内の各ドットは、投射光学系１１内の回折光学素子による回折作用によってレーザ光の強度が点在的に高められた領域を模式的に示している。ＤＭＰ光の光束中には、レーザ光の強度が高められた領域が、所定のドットマトリックスパターンに従って点在している。
【００３３】
目標領域に平坦な面（スクリーン）が存在すると、これにより反射されたＤＭＰ光の各ドット位置の光は、同図（ｂ）のように、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上で分布する。たとえば、目標領域上におけるＰ０のドット位置の光は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上では、Ｐｐのドット位置の光に対応する。
【００３４】
上記３次元距離演算部２１ｂでは、各ドットに対応する光がＣＭＯＳイメージセンサ１２４上のどの位置に入射したかが検出され、その受光位置から、三角測量法に基づいて、検出対象物体の各部（ドットマトリックスパターン上の各ドット位置）までの距離が検出される。かかる検出手法の詳細は、たとえば、上記非特許文献１（第１９回日本ロボット学会学術講演会（２００１年９月１８−２０日）予稿集、Ｐ１２７９−１２８０）に示されている。
【００３５】
図４（ａ）は、投射光学系１１と受光光学系１２の構成を示す図である。
【００３６】
投射光学系１１は、レーザ光源１１１と、コリメータレンズ１１２と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１３と、１／４波長板１１４と、アパーチャ１１５と、回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical Element）１１６と、光検出器（ＰＤ：PhotoDetector）１１７を備えている。また、受光光学系１２は、アパーチャ１２１と、撮像レンズ１２２と、フィルタ１２３と、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４とを備えている。
【００３７】
レーザ光源１１１は、波長８３０ｎｍ程度の狭波長帯域のレーザ光を出力する。コリメ
ータレンズ１１２は、レーザ光源１１１から出射されたレーザ光を平行光に変換する。ＰＢＳ１１３は、コリメータレンズ１１２側から入射されたレーザ光を反射する。レーザ光源１１１は、ＰＢＳ１１３の偏光面に対してレーザ光がＳ偏光となるように位置調整されている。
【００３８】
１／４波長板１１４は、ＰＢＳ１１３側から入射されたレーザ光を円偏光に変換するとともに、アパーチャ１１５側から入射されたレーザ光（ＤＯＥ１１６からの反射回折光）を、ＰＢＳ１１３側から入射されるときのレーザ光の偏光方向に直交する偏光方向に変換する。これにより、アパーチャ１１５側から入射されたレーザ光（ＤＯＥ１１６からの反射回折光）は、ＰＢＳ１１３に対してＰ偏光となり、ＰＢＳ１１３を透過する。
【００３９】
アパーチャ１１５は、レーザ光の光束断面を所定の形状（本実施の形態では円形）に調整する。ＤＯＥ１１６は、入射面に回折パターンを有する。この回折パターンによる回折作用により、アパーチャ１１５からＤＯＥ１１６に入射したレーザ光は、ドットマトリックスパターンのレーザ光に変換されて、目標領域に照射される。
【００４０】
なお、図４（ｂ）に示すように、ＤＯＥ１１６による回折光には、透過光と反射光がある。このうち、透過光（透過回折光）が、上記のように、ＤＭＰ光として目標領域に投射される。ＤＯＥ１１６によって回折および反射されたレーザ光（反射回折光）は、アパーチャ１１５を通って１／４波長板１１４に入射する。その後、反射回折光は、１／４波長板１１４により直線偏光に変換され、上記のようにＰＢＳ１１３を透過する。
【００４１】
ＰＤ１１７は、ＰＢＳ１１３を透過した反射回折光を受光する。ＰＤ１１７の配置については、追って、図５を参照して説明する。
【００４２】
目標領域から反射されたレーザ光は、アパーチャ１２１を介して撮像レンズ１２２に入射する。アパーチャ１２１は、撮像レンズ１２２のＦナンバーに合うように、外部からの光に絞りを掛ける。撮像レンズ１２２は、アパーチャ１２１を介して入射された光をＣＭＯＳイメージセンサ１２４上に集光する。
【００４３】
フィルタ１２３は、レーザ光源１１１の出射波長（８３０ｎｍ程度）を含む波長帯域の光を透過し、その他の波長帯域をカットするバンドパスフィルタである。ＣＭＯＳイメージセンサ１２４は、撮像レンズ１２２にて集光された光を受光して、画素毎に、受光光量に応じた信号（電荷）を撮像信号処理回路２３に出力する。ここで、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４は、各画素における受光から高レスポンスでその画素の信号（電荷）を撮像信号処理回路２３に出力できるよう、信号の出力速度が高速化されている。
【００４４】
投射光学系１１と受光光学系１２は、ベース３００に設置されている。ベース３００には、さらに、回路基板２００が設置され、この回路基板２００から、レーザ光源１１１、ＰＤ１１７、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４に配線（フレキシブル基板）２０１〜２０３が接続されている。回路基板２００には、図２に示すＣＰＵ２１やレーザ駆動回路２２等の情報取得装置１の回路部が実装されている。
【００４５】
図５は、ＰＤ１１７の配置方法を説明する図である。同図（ａ）は、ＤＯＥ１１６に対するレーザ光の入射状態を模式的に示し、同図（ｂ）は、ＰＤ１１７に対するＤＯＥ１１６からの反射回折光の照射状態を模式的に示す。
【００４６】
上記のように、レーザ光は、平行光の状態でＤＯＥ１１６に入射する。このため、ＤＯＥ１１６からの反射回折光のうち、ＤＯＥ１１６に回折されずに反射された０次の反射回折光も、略平行光の状態で、アパーチャ１１５へと戻る。よって、同図（ａ）のようにレ
ーザ光がＤＯＥ１１６に入射すると、０次の反射回折光は、同図（ａ）のビームサイズと略同じサイズで、ＰＤ１１７に向かって照射される。この他、ＤＯＥ１１６によって回折された１次以上の反射回折光も、ＰＤ１１７に向かって照射される。１次以上の反射回折光は、回折により広がっているため、同図（ｂ）のように、０次の反射回折光の領域を含む広い領域に照射される。なお、０次の反射回折光の領域にも１次以上の反射回折光が照射される。
【００４７】
本実施の形態では、同図（ｂ）に示すように、０次の反射回折光の照射領域に略含まれるように、ＰＤ１１７の受光面１１７ａが配置される。したがって、ＰＤ１１７は、０次の反射回折光と、１次以上の反射回折光を受光する。１次以上の反射回折光は、広い範囲に分散しているため、ＰＤ１１７によって受光される光量は比較的小さい。このため、ＰＤ１１７によって受光される光量は、１次以上の反射回折光よりも０次の反射回折光の方が、数段多い。よって、ＰＤ１１７からの出力信号は、０次の反射回折光による影響を大きく受ける。
【００４８】
ＤＯＥ１１６が正常である場合、受光面１１７ａには、所定の光量の０次の反射回折光が照射される。これに対し、ＤＯＥ１１６が経年変化等によって劣化すると、回折作用の変化により、受光面１１７ａに照射される０次の反射回折光の光量が増減し、これに伴い、ＰＤ１１７からの出力信号が増減する。よって、ＰＤ１１７からの出力をモニタすることで、ＤＯＥ１１６の劣化を検知することができる。
【００４９】
図６（ａ）は、ＰＤ１１７からの出力信号に基づくレーザ制御部２１ａの制御を示すフローチャートである。本実施の形態では、図６（ｂ）に示すように、ＰＤ１１７からの出力信号（ＰＤ信号）を監視するために閾値Ｓ１、Ｓ２が設定される。ＰＤ信号がこの閾値Ｓ１、Ｓ２の範囲を外れたことによって、ＤＯＥ１１６が劣化した（異常である）と判定される。
【００５０】
同図（ａ）を参照して、レーザ光源１１１が点灯されると（Ｓ１０１）、ＰＤ信号がサンプリングされ（Ｓ１０２）、サンプリングされたＰＤ信号の値が、閾値Ｓ１と閾値Ｓ２の間の範囲にあるかが判定される（Ｓ１０３）。ＰＤ信号の値が閾値Ｓ１と閾値Ｓ２の間の範囲にあれば、レーザ光源１１１の点灯が維持され、ステップＳ１０２、Ｓ１０３が繰り返される。
【００５１】
しかる後、ＰＤ信号が閾値Ｓ１と閾値Ｓ２の間の範囲から外れると（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、ＤＯＥ１１６が劣化した（異常である）と判定され、レーザ光源１１１が停止される。これにより、目標領域に対するＤＭＰ光の照射が中止される。たとえば、図６（ｂ）の例では、時間ＴＥにおいて、ＰＤ信号が閾値Ｓ１と閾値Ｓ２の間の範囲から外れ、目標領域に対するＤＭＰ光の照射が中止される。これにより、たとえば、レーザ光のパワーが目標領域の一部に集中するのを防止でき、安全性を確保することができる。
【００５２】
以上、本実施の形態によれば、図４（ａ）に示すように、レーザ光源１１１から出射されたレーザ光の光路が折り曲げられるよう投射光学系１１が構成されているため、高さ方向（ベース３００の設置面に垂直な方向）における投射光学系１１のサイズを小さくでき、投射光学系１１をコンパクトにすることができる。
【００５３】
たとえば、図４（ｃ）の比較例のように、ＤＯＥ１１６の劣化を検出するためのモニタ光学系１１８を、ＤＯＥ１１６の出射面側に配置すると、レーザ光源１１１、コリメータレンズ１１２、アパーチャ１１５およびＤＯＥ１１６と、モニタ光学系１１８が、高さ方向に一列に並ぶため、投射光学系１１の高さＨがかなり高くなる。この場合、モニタ光学系１１８は、ＤＯＥ１１６を透過した透過回折光の一部を受光するよう構成される。
【００５４】
これに対し、本実施の形態では、図４（ａ）に示すように、レーザ光源１１１から出射されたレーザ光の光路が折り曲げられるため、高さ方向（ベース３００の設置面に垂直な方向）における投射光学系１１のサイズを小さくでき、投射光学系１１をコンパクトにすることができる。
【００５５】
また、本実施の形態によれば、図６を参照して説明したとおり、ＰＤ信号に基づきＤＯＥ１１６の劣化（異常）が検出されると、レーザ光源１１１が停止されるため、不安定な状態のレーザ光が目標領域に照射されるのを防止でき、情報取得装置の使用時の安全性を高めることができる。
【００５６】
なお、本願発明者らは、ＰＤ信号に基づきＤＯＥ１１６の劣化（異常）を検出可能であることを、実際に測定を行うことにより検証した。以下、この検証について説明する。
【００５７】
図７（ａ）は、検証に用いた投射光学系の構成を示す図である。同図の投射光学系は、図４に示す投射光学系１１に比べて、アパーチャの位置が異なっている。すなわち、図４の投射光学系１１では、アパーチャ１１５が１／４波長板１１４とＤＯＥ１１６との間に配置されたが、図７（ａ）の投射光学系では、アパーチャ１１５ａが、レーザ光源１１１とコリメータレンズ１１２との間に配置されている。また、ＰＤ１１７は、パワーメータＰＭに配置されている。パワーメータＰＭは、ＰＤ１１７が受光したレーザ光のパワーを測定する。図７（ａ）の投射光学系のその他の構成は、図４と投射光学系１１と同じである。
【００５８】
アパーチャ１１５ａは、レーザ光源１１１から出射された楕円形のレーザ光を略円形のレーザ光に整形する。測定において、コリメータレンズ１１２とＰＢＳ１１３との間のギャップは１００ｍｍ、ＰＢＳ１１３と１／４波長板１１４との間のギャップは１ｍｍ、１／４波長板１１４とＤＯＥ１１６との間のギャップは１ｍｍ未満、ＰＢＳ１１３とパワーメータＰＭとの間のギャップは１１ｍｍに設定された。ＰＢＳ１１３には、エドモンド・オプティックス社製４７７８４−Ｋが用いられ、１／４波長板１１４には、エドモンド・オプティックス社製４６４１２−Ｋが用いられ、パワーメータには、アドバンテスト社製Ｑ８２３０が用いられた。
【００５９】
レーザ光源１１１は、出射波長が８３０ｎｍであり、同図Ｙ軸方向にレーザ光を出射するように配置されている。レーザ光源１１１の光軸とコリメータレンズ１１２の光軸は一致し、コリメータレンズ１１２はレーザ光を略平行光に変換する位置に配置されている。ＰＢＳ１１３は、コリメータレンズ１１２からのレーザ光がＳ偏光で入射するよう配置され、入射したレーザ光をＺ軸方向に反射する。１／４波長板１１４とＤＯＥ１１６は、それぞれ、入射面がＺ軸に垂直となるように配置され、ＰＤ１１７は、受光面がＺ軸に垂直となるように配置されている。
【００６０】
ＤＯＥ１１６は、ＤＯＥ１１６の前方（Ｚ軸正方向）２ｍの位置に設定された仮想平面において、縦１．９ｍ、横２．３ｍの長方形の領域に２５０００個のドットを均等に分散させるための回折パターンが、出射面に形成されている。この回折パターンは、マルチステップ型の回折構造により構成されている。
【００６１】
測定時には、図７（ａ）の投射光学系において、レーザ光源１１１から出射パワー２００ｍＷでレーザ光を出射させ、パワーメータＰＭで受光強度を測定した。この測定では、まず、ＰＤ１１７の中心が、ＤＯＥ１１６で回折および反射されたレーザ光（反射回折光）の中心に一致する位置（オフセット＝０）にＰＤ１１７を配置し、この状態で、上記パワーのレーザ光を出射させてＰＤ１１７の受光パワーを測定した。さらに、レーザ光源１
１１から上記パワーのレーザ光を出射させたまま、上記オフセット０の位置から同図左方向（Ｙ軸負方向）に１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、７ｍｍ、８ｍｍ、９ｍｍ、１０ｍｍに変位した位置にＰＤ１１７を移動させ、これら各位置において、それぞれ、ＰＤ１１７の受光パワーを測定した。
【００６２】
次に、ＤＯＥ１１６の出射面のレーザ光出射位置に水を滴下し、当該出射面に、レーザ光の輪郭よりもやや大きめの輪郭の水滴を付着させた。この状態で、上記パワーのレーザ光を出射させ、上記と同様、オフセット＝０ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、７ｍｍ、８ｍｍ、９ｍｍ、１０ｍｍの各位置において、それぞれ、ＰＤ１１７の受光パワーを測定した。
【００６３】
図８は、測定結果を示す図である。図中、“実験前”のグラフは水滴を付着させる前に上記測定を行ったときの測定結果を示し、“水滴付着時”のグラフは水滴を付着させた状態で上記測定をおこなったときの測定結果を示す。
【００６４】
まず、“実験前”のグラフを参照すると、ＰＤ１１７の受光パワーは、ＰＤ１１７のオフセットが増えるに従って緩やかに減少し、オフセットが５ｍｍを超えるあたりから、ＰＤ１１７の受光パワーが急激に低下することが分かる。ここで、オフセットが５ｍｍの位置は、ＰＤ１１７の受光面のＹ軸負方向の端部が反射回折光の領域の境界に到達する位置であると推測され得る。したがって、反射回折光は、ＰＤ１１７の受光面を含む平面において、反射回折光の中心から左右に所定長さの広がりを持つことが分かる。かかる反射回折光の広がり具合は、ＤＯＥ１１６を透過して目標領域に向かうレーザ光の広がり具合を反映するものであると推察され得る。
【００６５】
次に、“水滴付着時”のグラフを参照すると、ＰＤ１１７の受光パワーは、ＰＤ１１７のオフセットに拘わらず、略１ｍＷ程度で推移している。また、ＰＤ１１７の受光パワーは、オフセットが１０ｍｍを超えてさらにオフセットが進んでも、０に接近しにくいことが分かる。このことから、反射回折光は、ＰＤ１１７の受光面を含む平面において、“実験前”の場合に比べてかなり広い範囲に広がっているものと推測され得る。この場合、ＤＯＥ１１６を透過して目標領域に向かうレーザ光もまた、“実験前”の場合に比べてかなり広い範囲に広がるものと推察され得る。
【００６６】
図８に示された２つのグラフを比較すると、ＤＯＥ１１６の出射面に水滴が付着し、ＤＯＥ１１６の出射面に形成された回折パターンに異常が生じると、ＰＤ１１７の受光パワーが大きく変化することが分かる。よって、ＤＯＥ１１６が正常な状態において、ＰＤ１１７の中心が、反射回折光の中心付近（反射回折光の照射領域の範囲内）に位置づけられるように、ＰＤ１１７を配置することにより、ＰＤ１１７の検出信号（ＰＤ信号）をもとにＤＯＥ１１６の異常を検出することができ、また、この異常による投射レーザ光の異常を検出することができる。
【００６７】
したがって、図６（ａ）のように、ＰＤ信号に基づきＤＯＥ１１６の劣化（異常）が検出されると、レーザ光源１１１が停止されるように制御を行うことにより、不安定な状態のレーザ光が目標領域に照射されるのを防止でき、情報取得装置の使用時の安全性を高めることができる。
【００６８】
なお、上記測定では、“水滴付着時”のＰＤ１１７の検出信号（ＰＤ信号）の値が“実験前”のＰＤ信号の値よりも数段小さくなったが、ＤＯＥ１１６に生じる劣化（異常）の種類によっては、異常時のＰＤ信号の値が正常時のＰＤ信号の値よりも大きくなることが想定され得る。この場合、ＤＯＥ１１６から目標領域に向かうレーザ光は、狭い範囲に集中する。このような異常は、図６（ｂ）のように、正常時のＰＤ信号よりも低い閾値Ｓ１
の他、正常時の検出信号よりも高い閾値Ｓ２を設定し、ＰＤ信号が閾値Ｓ１、Ｓ２の範囲内にないときに異常と判定することにより検出され得る。したがって、図６（ａ）の制御によれば、多様な形態で起こり得るＤＯＥ１１６の異常を的確に検出することができる。
【００６９】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら制限されるものではなく、また、本発明の実施の形態も上記の他に種々の変更が可能である。
【００７０】
たとえば、上記実施の形態では、図５（ｂ）に示すように、ＰＤ１１７の受光面１１７ａを０次の反射回折光の照射領域に配置したが、図９（ｂ）のように、０次の反射回折光の照射領域を除く反射回折光の照射領域に受光面１１７ａを配置しても良い。この構成においても、ＤＯＥ１１６が正常である場合には、受光面１１７ａに、１次以上の反射回折光が所定の光量だけ照射される。また、ＤＯＥ１１６が経年変化等によって劣化すると、回折作用の変化により、受光面１１７ａに照射される１次以上の反射回折光の光量が増減し、これに伴い、ＰＤ１１７からの出力信号が増減する。よって、図５（ｂ）の場合と同様、ＰＤ１１７からの出力をモニタすることで、ＤＯＥ１１６の劣化を検知することができる。この他、０次の反射回折光の照射領域に一部が掛かるように、受光面１１７ａを配置しても良い。
【００７１】
また、上記実施の形態では、図４（ａ）に示すように、キュービック状のＰＢＳ１１３を用いたが、図１０（ａ）に示すように、板状のＰＢＳ１２１を用いても良い。この場合、偏光面がベース３００の設置面に対して４５度傾くように、ＰＢＳ１２１が配置される。
【００７２】
さらに、ＰＢＳ１１３に代えて、図１０（ｂ）に示すように、ハーフミラー１２２を用いても良い。この場合、入射面がベース３００の設置面に対して４５度傾くように、ハーフミラー１２２が配置される。この構成では、レーザ光源１１１から出射されるレーザ光の半分がハーフミラー１２２を透過するため、上記実施の形態に比べ、目標領域に照射されるレーザ光の光量が低下する。反面、１／４波長板１１４が不要となるため、上記実施の形態に比べ、構成が簡素となる。なお、ハーフミラーに代えて、透過率と反射率が１：１でない他の無偏光のビームスプリッタを用いても良い。
【００７３】
また、上記実施の形態では、受光素子として、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４を用いたが、これに替えて、ＣＣＤイメージセンサを用いることもできる。さらに、受光光学系１２の構成も、適宜変更可能である。
【００７４】
本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００７５】
１ 情報取得装置
２ 情報処理装置
１１ 投射光学系
１１１ レーザ光源
１１３ ＰＢＳ（光路分岐部）
１１４ １／４波長板（光路分岐部）
１１６ ＤＯＥ（回折光学素子）
１１７ ＰＤ（光検出器）
１２２ ハーフミラー（無偏光ビームスプリッタ）
２１ａ レーザ制御部（制御部）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を用いて目標領域の情報を取得する情報取得装置において、
レーザ光源と、
前記レーザ光源の光軸から離れる方向に配置された回折光学素子と、
前記光軸を挟んで前記回折光学素子に対向するように配置された光検出器と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記回折光学素子に導くとともに、前記回折光学素子によって反射された前記レーザ光を前記光検出器に導く光路分岐部と、を備え、
前記回折光学素子は、前記レーザ光を所定のパターンにて前記目標領域に照射し、
前記光検出器は、前記回折光学素子によって回折および反射された前記レーザ光の一部を受光する、
ことを特徴とする情報取得装置。
【請求項２】
請求項１に記載の情報取得装置において、
前記光路分岐部は、前記レーザ光源から出射された前記レーザ光を反射する偏光ビームスプリッタと、前記回折光学素子と前記偏光ビームスプリッタとの間に配置された１／４波長板とを有する、
ことを特徴とする情報読取装置。
【請求項３】
請求項１に記載の情報取得装置において、
前記光路分岐部は、前記レーザ光源から出射された前記レーザ光の一部を反射し、一部を透過する無偏光ビームスプリッタを有し、
前記レーザ光源から出射された前記レーザ光は、前記無偏光ビームスプリッタにより反射されて、前記回折光学素子へ向かう、
ことを特徴とする情報取得装置。
【請求項４】
請求項３に記載の情報取得装置において、
前記無偏光ビームスプリッタは、ハーフミラーである、
ことを特徴とする情報取得装置。
【請求項５】
請求項１ないし４の何れか一項に記載の情報取得装置において、
前記レーザ光源を制御する制御部をさらに備え、
前記制御部は、前記光検出器からの出力信号が所定の閾値範囲から外れると、前記レーザ光源を停止させる、
ことを特徴とする情報取得装置。
【請求項６】
請求項１ないし５の何れか一項に記載の情報取得装置を有する物体検出装置。
【請求項１】
光を用いて目標領域の情報を取得する情報取得装置において、
レーザ光源と、
前記レーザ光源の光軸から離れる方向に配置された回折光学素子と、
前記光軸を挟んで前記回折光学素子に対向するように配置された光検出器と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記回折光学素子に導くとともに、前記回折光学素子によって反射された前記レーザ光を前記光検出器に導く光路分岐部と、を備え、
前記回折光学素子は、前記レーザ光を所定のパターンにて前記目標領域に照射し、
前記光検出器は、前記回折光学素子によって回折および反射された前記レーザ光の一部を受光する、
ことを特徴とする情報取得装置。
【請求項２】
請求項１に記載の情報取得装置において、
前記光路分岐部は、前記レーザ光源から出射された前記レーザ光を反射する偏光ビームスプリッタと、前記回折光学素子と前記偏光ビームスプリッタとの間に配置された１／４波長板とを有する、
ことを特徴とする情報読取装置。
【請求項３】
請求項１に記載の情報取得装置において、
前記光路分岐部は、前記レーザ光源から出射された前記レーザ光の一部を反射し、一部を透過する無偏光ビームスプリッタを有し、
前記レーザ光源から出射された前記レーザ光は、前記無偏光ビームスプリッタにより反射されて、前記回折光学素子へ向かう、
ことを特徴とする情報取得装置。
【請求項４】
請求項３に記載の情報取得装置において、
前記無偏光ビームスプリッタは、ハーフミラーである、
ことを特徴とする情報取得装置。
【請求項５】
請求項１ないし４の何れか一項に記載の情報取得装置において、
前記レーザ光源を制御する制御部をさらに備え、
前記制御部は、前記光検出器からの出力信号が所定の閾値範囲から外れると、前記レーザ光源を停止させる、
ことを特徴とする情報取得装置。
【請求項６】
請求項１ないし５の何れか一項に記載の情報取得装置を有する物体検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−３２３７９（Ｐ２０１２−３２３７９Ａ）
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８８６０６（Ｐ２０１１−８８６０６）
【出願日】平成２３年４月１２日（２０１１．４．１２）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１２日（２０１１．４．１２）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
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